CN110414163A - 基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，包括：确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，并进行参数化表征，建立电磁分析模型，选择补偿方式。若工作频带为宽带，则进行上一步，若工作频带为窄带，则进行下一步，求解互联处输入阻抗，基于并联单枝节的传输线间转换互联结构，建立补偿结构电磁分析模型；在传输线线间转换金带互联处引入微带线性渐变线，建立补偿结构电磁分析模型；确定传输线间转换互联补偿结构尺寸；当工作频带为窄带，输出补偿结构参数；当工作频带为宽带，输出补偿结构参数。本发明方法可快速对可指导微波组件中传输线间转换结构设计优化与电性能补偿，提升微波产品研制品质。

Description

基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法

技术领域

本发明属于微波射频电路技术领域，具体是一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，可用于指导微波组件中传输线间转换互联结构的设计与信号传输性能调控与补偿。

背景技术

随着通信、卫星、导航、航天、雷达等领域不断朝着智能化、自动化以及信息化发展，要求微波组件不仅具备高性能化、多功能化的优点同时，还得具备小型化、轻量化以及设计周期短等要求。因此对微波器件及模块的组装互联提出了非常严苛的要求。同时工作频段的升高，也使得微波电路中互联工艺形态对传输性能的耦合影响愈加突出。

传输线间转换互联结构作为信号传输路径的重要组成部分，在过去低频段且传输速度较低的情况下，互联点仅仅起电连通的作用，相当于短路，整个微波电路系统的性能只取决于晶体管性能及其连接的逻辑关系，信号传输性能几乎与互联点无关；随着集成电路速度的不断提高，信号进入微波、毫米波波段，波长将接近传输线的电长度，互联点不可不重视，其寄生效应(电容、电感、电阻以及电导)造成互联区域阻抗与两端传输线特性阻抗不匹配，引起电磁波的反射，产生驻波使信号幅度和相位产生误差，导致信号在互联处的传输将产生时延、幅度衰减、同步开关噪声、信号反射与串扰等电磁场微波效应，进而引起微波组件出现信号/能量完整性问题，这些问题将严重影响微波组件性能，制约着接收发射功能的提升，甚至影响整个系统更新换代。

因此有必要对传输线间转换互联结构进行性能补偿，减少信号在输入端和输出端的反射，提高信号的传输效率，保证在工作频段内的阻抗匹配，实现电磁场在两种传输线之间传输的连续性与均匀性，减少因阻抗突变引起的电磁波反射，使行驻波尽量接近行波状态，最大程度上保证输出功率最大化和传输线上损耗最小化，以适应高频有源微波组件特定的工况条件。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，以便快速、准确地对因传输线间转换互联结构的不连续性所造成的阻抗失配进行补偿，为微波组件性能提升，以及复杂环境下电性能的保障提供理论指导。

实现本发明目的的技术解决方案是，一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，该方法包括下述步骤：

(1)根据高频微波组件互联的具体要求，确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数；

(2)根据微波组件传输线间转换互联结构实物形态及工程实际调研，对互联金带区域分段区间处理，并根据具体区间对传输线间转换互联结构进行形态参数化表征；

(3)根据确定的微波组件中转换互联结构的几何参数、物性参数及形态参数化表征，并建立传输线间转换互联结构的电磁分析模型；

(4)根据微波组件工作带宽，选择补偿方式，若工作频带为宽带，则进行步骤(5)，若工作频带为窄带，则进行步骤(6)；

(5)根据阻抗匹配原理，求解互联结构互联处输入阻抗，建立互联结构的等效电路模型进行匹配，基于并联单枝节的传输线间转换互联结构，建立面向宽带的补偿结构电磁分析模型；

(6)据传输线的反射原理，在传输线线间转换金带互联处引入微带线性渐变线，渐变线一侧宽度与金带底部压焊长度保持一致，一侧与主传输线宽度保持一致，基于微带线性渐变线的传输线间转换互联结构，建立面向窄带的补偿结构电磁分析模型；

(7)确定传输线间转换互联补偿结构尺寸，当工作频带为窄带，输出由步骤(5)确定的补偿结构参数；当工作频带为宽带，输出由步骤(6)确定的补偿结构参数。

进一步，步骤(1)中，确定几何参数包括，微带线宽度W、微带线厚度h1、金带宽度B、金带厚度T、底部金带压焊长度b4、互联结构半跨距P、顶部包焊区包角θ、落差g、介质基板长度L、介质基板宽度D、介质基板厚度h2、引线直径d1、引线伸出端到金带距离b3、金带到基板水平距离b2、同轴接头玻璃介质直径d2和同轴接头玻璃介质长度b1；

确定物性参数包括信号传输频率f、介质基板介电常数ε_s、介质基板损耗角正切θ_s、同轴接头玻璃介质介电常数ε_g和同轴接头玻璃介质损耗角正切θ_g。

进一步，步骤(2)中互联形态可分为四个区域：顶部包焊区、底部搭焊区以及左右两个非键合区，对传输线间转换互联结构进行形态参数化表征以下步骤进行：

(2a)对互联形态的顶部包焊区域表征，包括一段圆弧圆心坐标为(x_s,y_s)、圆弧的起点u的坐标(x_u,y_u)和终点v的坐标(x_v,y_v)；

(2b)根据传输线间转换互联的特征分析，对互联形态的底部压焊区域表征，包括一段直线段直线的起点a的坐标(x_a,y_a)和终点b的坐标；

(2c)根据传输线间转换互联的特征分析，对互联形态的左边非键合区域表征，由上半部和下半部两段抛物线、以及包焊区与上半部抛物线之间的一小段直线组成，包括上半部抛物线与搭焊区之间预留一小段长度K、小段长度的终点e坐标(x_e,y_e)、上半部抛物线的起点c坐标(x_c,y_c)和抛物线系数f₁、下半段抛物线系数f₂；

(2d)根据传输线间转换互联的特征分析，对互联形态的右边非键合区域表征，由上半部和下半部两段抛物线、以及包焊区与上半部抛物线之间的一小段直线组成，包括小段长度的终点f坐标(x_f,y_f)、上半部抛物线的起点d坐标(x_d,y_d)和抛物线系数f₃、下半段抛物线系数f₄。

进一步，步骤(3)中，建立传输线间转换互联结构的电磁分析模型包括根据步骤(1)中确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，以及步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征，在三维电磁全波仿真分析软件中建立传输线间转换互联结构的电磁分析模型，所建立的模型包括引线、金带互联线、微带线、玻璃介质、介质基板。

进一步，所述步骤(4)中，根据微波组件工作频段，选择补偿方式。当微波组件工作频带为窄带，进行步骤(5)中基于并联单枝节的性能补偿结构电磁分析模型，该补偿方式可实现在窄频段尤其在某一频点下的信号传输性能的大幅度改善；当微波组件工作频带为宽带，则进行步骤(6)中基于微带线性渐变线的性能补偿结构电磁分析模型，该补偿方式可在整个频段对组件信号传输性能补偿。

进一步，所述步骤(5)中，基于并联单枝节的传输线间转换互联的性能补偿结构设计按照以下步骤进行：

(5a)根据传输线间转换互联结构的电磁分析模型仿真结果，求解互联点处输入阻抗；

(5b)根据传输线转换互联结构的输入阻抗Z_L、特性阻抗Z₀，以及工作频率f并结合步骤(1)中传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，在电子设计自动化ADS软件中建立相应的并联单枝节阻抗匹配等效电路；

(5c)最后根据基于并联单枝节的传输线间转换互联结构的等效电路匹配设计结果，结合步骤(1)中传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数和步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征分析，建立基于并联单枝节的同轴转微带互联面向宽带的补偿结构电磁分析模型。

进一步，所述步骤(6)中，确定传输线间转换互联补偿结构尺寸以下步骤进行：

(6a)根据传输线的小反射原理，设计基于微带线性渐变线的同轴转微带金带互联补偿结构；

(6b)根据步骤(1)中确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，以及步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征，在三维电磁全波仿真分析软件中建立基于微带线性渐变线的传输线间转换互联面向窄带的补偿结构的电磁分析模型。

进一步，所述步骤(7)中，确定传输线间转换互联补偿就结构尺寸按照以下步骤进行：若微波组件工作频带为窄带，输出由步骤(5)中基于并联单枝节的性能补偿结构电磁分析模型确定的补偿结构参数：并联单枝节到负载之间传输线的长度d，以及并联单枝节的长度l；若微波组件工作频带为宽带，则输出由步骤(6)中基于微带线性渐变线的性能补偿结构电磁分析模型确定的补偿结构参数：线性渐近线长度H。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1.本发明针对微波组件中的传输线间转换互联结构，通过对其进行特征分析，获取几何参数与物性参数信息；对该互联形态采取先分段区间处理，后就具体区间采取不同形式的函数进行数学描述，从而实现了该互联结构的参数化表征，最终建立传输线间转换互联结构电磁分析模型。就实际性能补偿而言，可先行通过不断调整互联形态参数寻找最佳参数组合以实现传输性能优化，同时也为挖掘互联形态参数与性能传输性能影响机理奠定了基础。

2.本发明针对微波组件中的传输线间转换互联结构，提出了微带线性渐变线和并联单枝节两种性能补偿方法，能有效降低信号反射，实现该结构的性能补偿，保证产品在服役阶段具有良好的信号完整性。在实际中可根据工作频段宽窄选择不同的补偿方式，当微波组件工作频带窄，选择并联单枝节的性能补偿结构电磁分析模型实现在窄频段尤其在某一频点下的信号传输性能的大幅度改善；当微波组件工作频带为宽带，则选择于微带线性渐变线的性能补偿结构电磁分析模型实现可在整个频段对组件信号传输性能补偿。利用本方法可为工程设计人员在微波组件传输线间转换互联结构设计与性能补偿与调控提供了理论指导，同时也给设计人员选择空间，可根据具体工作情况选择合适的补偿方式，从而大大降低产品设计成本，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法的流程图；

图2是传输线间转换互联结构的参数化模型示意图；

图3是传输线间转换互联结构分段表征示意图；

图4是传输线间转换互联结构的电磁分析模型；

图5是基于并联单枝节的传输线间转换互联结构补偿结构示意图；

图6是基于并联单枝节阻抗匹配等效电路模型；

图7是基于并联单枝节的传输线间转换互联补偿结构电磁分析模型；

图8是基于微带线性渐变线的传输线间转换互联结构补偿结构示意图；

图9是基于微带线性渐变线的传输线间转换互联补偿结构电磁分析模型；

图10(a)、(b)分别是基于并联单枝节补偿方式的传输线间转换互联结构补偿前后的S参数对比；

图11(a)、(b)分别是基于微带线性渐变线补偿方式的传输线间转换互联结构补偿前后的S参数对比。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明为一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，具体步骤如下：

步骤1，确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数

参照图2所示，高频微波组件中传输线间转换互联结构介质基板5，在介质基板5上设置微带线3，微带3和引线4之间通过金带3连接，引线4连接玻璃介质1，据高频微波组件互联的具体要求，分别确定微波组件中传输线间转换互联结构物性参数与几何参数，包括确定几何参数和确定物性参数。

确定几何参数包括，微带线宽度W、微带线厚度h1、金带宽度B、金带厚度T、底部金带压焊长度b4、互联结构半跨距P、顶部包焊区包角θ、落差g、介质基板长度L、介质基板宽度D、介质基板厚度h2、引线直径d1、引线伸出端到金带距离b3、金带到基板水平距离b2、同轴接头玻璃介质直径d2和同轴接头玻璃介质长度b1。

确定物性参数包括，信号传输频率f、介质基板介电常数ε_s、介质基板损耗角正切θ_s、同轴接头玻璃介质介电常数ε_g和同轴接头玻璃介质损耗角正切θ_g。

步骤2，传输线间转换互联结构的参数化表征

传输线间转换互联结构的互联形态参数化表征采取先分段区间处理，后就具体区间采取不同形式的函数进行数学描述。互联形态可分为四个区域：顶部包焊区、底部搭焊区以及左右两个非键合区，参照图3，参数化表征按如下过程进行：

(2a)根据传输线间转换互联特征分析，首先对互联形态的顶部包焊区域进行表征，顶部包焊区域是金带与引线因键合工艺而形成连接的区域，该区域由一段圆弧组成，包角大小为θ，圆弧半径r，圆心位于引线中心处，圆心坐标为(x_s,y_s)：

式中，d1为引线直径，g为落差，T为金带厚度。

因此，圆弧的起点u的坐标(x_u,y_u)和终点v的坐标(x_v,y_v)表示如下：

式中，d1为引线直径，g为落差，T为金带厚度，θ为包角。

(2b)根据传输线间转换互联特征分析，对互联形态的底部压焊区域间表征，底部压焊区域是指金带与底部微带线因键合工艺而形成连接的区域，该区域由一段直线段组成，压焊区域长度为b5，直线的起点a的坐标(x_a,y_a)和终点b的坐标分别表示如下：

(2c)根据传输线间转换互联特征分析，对互联形态的左边非键合区域表征，左边非键合区域由上半部和下半部两段抛物线、以及包焊区与上半部抛物线之间的一小段直线组成：

为了避免金带和引线在约束条件范围内发生相交，在左边上半部抛物线与搭焊区之间预留一小段长度，这段长度与包角θ大小有关，长度K表示如下：

式中，d1为引线直径，θ为包角。

这小段长度的起点为圆弧的起点u，终点e坐标(x_e,y_e)表示如下：

式中，d1为引线直径，θ为包角，g为落差，T为金带厚度。

左边上半部抛物线的终点为小段长度的终点e，上半部抛物线的起点c坐标(x_c,y_c)表示如下：

式中，P为互联结构半跨距，d1为引线直径，g为落差，T为金带厚度。

抛物线方程为Δy²＝2f₁Δx，其中Δx₁＝x_u-x_c，Δy₁＝y_u-y_c，代入方程，可得抛物线系数f₁：

式中，P为互联结构半跨距，K为直线段长度，d1为引线直径，θ为包角，g为落差，T为金带厚度，b5为压焊区域长度。

左边下半段抛物线起点为上半段抛物线的起点c，终点为底部压焊区直线的起点a，抛物线方程为Δy²＝2f₂Δx，其中Δx₂＝x_a-x_c，Δy₂＝y_a-y_c，将Δx₂和Δy₂代入上述方程可得抛物线系数f₂：

式中，P为互联结构半跨距，d1为引线直径，g为落差，T为金带厚度。

(2d)根据传输线间转换互联特征分析，对互联形态的右边非键合区域表征，右边非键合区域也是由上半部和下半部两段抛物线、以及包焊区与上半部抛物线之间的一小段直线组成。

在右边上半部抛物线与搭焊区之间预留一小段长度，该长度与包角θ大小有关，长度K如下：

这小段长度的起点为圆弧的起点v，终点f坐标(x_f,y_f)表示如下：

式中，d1为引线直径，θ为包角，g为落差，T为金带厚度，K为直线段长度。

其中右边上半部抛物线的终点为小段长度的终点f，上半部抛物线起点d坐标(x_d,y_d)表示如下：

式中，P为互联结构半跨距，d1为引线直径，g为落差，T为金带厚度。

抛物线方程为Δy²＝-2f₃Δx，其中Δx₃＝x_v-x_d，Δy₃＝y_v-y_d，代入方程，可得抛物线系数f₃：

式中，P为互联结构半跨距，K为直线段长度，d1为引线直径，θ为包角，g为落差，T为金带厚度，b5为压焊区域长度。

下半段抛物线终点为直线段的终点b，起点为上半段圆弧的起点d，抛物线方程为Δy²＝-2f₄Δx，其中Δx₄＝x_b-x_d，Δy₄＝y_b-y_d，将Δx₂和Δy₂代入上述方程可得抛物线系数f₄：

式中，P为互联结构半跨距，d1为引线直径，g为落差，T为金带厚度。

步骤3，建立传输线间转换互联结构的电磁分析模型

根据步骤(1)中确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，以及步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征，分别创建引线、金带互联线、微带线、玻璃介质、介质基板，从而在三维电磁全波仿真分析软件中建立传输线间转换互联结构的电磁分析模型，所建立的模型如下图4示。

步骤4，根据微波组件工作带宽，选择补偿方式

根据微波组件工作带宽，选择补偿方式，进行相应的传输线间转换结构补偿结构设计。当微波组件工作频带为窄带，即相对带宽时，其中f_H和f_L分别表示工作频带的上限和下限频率，进行步骤(5)中基于并联单枝节的性能补偿结构电磁分析模型，该补偿方式可实现在窄频段尤其在某一频点下的信号传输性能的大幅度改善；当微波组件工作频带为宽带，即相对带宽时，其中f_H和f_L分别表示工作频带的上限和下限频率，则进行步骤(6)中基于微带线性渐变线的性能补偿结构电磁分析模型，该补偿方式可在整个频段对组件信号传输性能补偿。

步骤5，根据阻抗匹配原理，求解互联处输入阻抗，建立互联结构的等效电路模型进行匹配设计，基于并联单枝节的传输线间转换互联结构，建立面向宽带的补偿结构电磁分析模型

根据阻抗匹配原理设计的基于并联单枝节的传输线间转换互联结构性能补偿结构，如图5所示，按照以下步骤进行：

(5a)根据传输线间转换互联结构的电磁分析模型仿真结果，求解互联点处输入阻抗。

首先，对补偿前的互联模型进行电磁仿真，得到中心频率f₀处S参数，通过二端口网络的反射系数与S参数转换公式，得到输入阻抗系数Γ_in：

式中，Γ_L为输入阻抗系数，S₂₁、S₁₂以及S₂₂为散射参数，对于该匹配模型Γ_L很小，因此上式可近似表示为：Γ_in＝S₁₁。

然后，根据输入端阻抗与反射系数关系式计算金带互联处的输入归一化阻抗z_L：

由于此处的阻抗z_L是归一化阻抗，故进一步得到互联处输入阻抗Z_L；

Z_L＝Z₀z_L

式中，Z₀为特性阻抗。

(5b)根据传输线转换互联结构的输入阻抗Z_L、特性阻抗Z₀，以及工作频率f并结合步骤(1)中传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，在电子设计自动化软件ADS中建立相应的并联单枝节阻抗匹配等效电路，如图6所示，在电子设计自动化软件中对待匹配的端口进行匹配设计。

(5c)最后根据基于并联单枝节的传输线间转换互联结构的等效电路匹配设计结果，结合步骤(1)中传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数和步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征分析，建立基于并联单枝节的同轴转微带互联面向宽带的补偿结构电磁分析模型。

步骤6，根据传输线的反射原理，在传输线线间转换金带互联处引入微带线性渐变线，渐变线一侧宽度与金带底部压焊长度保持一致，一侧与主传输线宽度保持一致，基于微带线性渐变线的传输线间转换互联结构，建立面向窄带的补偿结构电磁分析模型

(6a)根据传输线小反射原理，设计基于微带线性渐变线的同轴转微带金带互联补偿结构，参照图8，渐变线一侧宽度与金带底部压焊长度保持一致，一侧与主传输线宽度保持一致，通过调节线性渐近线长度H来获得最佳匹配状态，实现性能最大程度上的改善。

(6b)根据步骤(1)中传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数和步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征分析，同时引入微带线性渐变线补偿结构，在三维电磁全波仿真分析软件中建立基于微带线性渐变线的传输线间转换互联面向窄带的补偿结构的电磁分析模型，所建立的模型如下图9示。

步骤7，确定传输线间转换互联补偿结构尺寸

根据工作频段选择不同的性能补偿结构电磁分析模型，确定传输线间转换互联补偿结构尺寸。若微波组件工作频带窄，输出由步骤(5)中基于并联单枝节的性能补偿结构电磁分析模型确定的补偿结构参数：并联单枝节到负载之间传输线的长度d，以及并联单枝节的长度l；若微波组件工作频段宽，则输出由步骤(6)中基于微带线性渐变线的性能补偿结构电磁分析模型确定的补偿结构参数：线性渐近线长度H。

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

一、确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数

本实验以Ku波段星载微波组件中传输线间转换互联结构为例，取中心工作频率15GHz，传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数见表1，传输线间转换互联结构的参数化模型示意图见图2。

表1传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数

二、根据工作带宽，对微波组件中传输线间转换互联结构进行性能补偿

1.建立传输线转换互联结构的电磁分析模型

根据确定星载微波组件中传输线转换互联结构的几何参数、物性参数及形态参数化表征，建立传输线转换互联结构电磁分析模型如图4，所建立的模型由引线、微带线、金带互联线、玻璃介质、介质基板等部分组成。

(5)根据阻抗匹配原理，求解互联处输入阻抗，建立互联结构的等效电路模型进行匹配设计，基于并联单枝节的传输线间转换互联结构，建立补偿结构电磁分析模型；

(6)根据传输线的小反射原理，在传输线线间转换金带互联处引入微带线性渐变线，渐变线一侧宽度与金带底部压焊长度保持一致，一侧与主传输线宽度保持一致，基于微带线性渐变线的传输线间转换互联结构，建立补偿结构电磁分析模型；

(7)确定传输线间转换互联补偿结构尺寸。当工作频带为窄带，输出由步骤(5)确定的补偿结构参数；当工作频带为宽带，输出由步骤(6)确定的补偿结构参数。

2.根据阻抗匹配原理，求解互联处输入阻抗，建立互联结构的等效电路模型进行匹配设计，基于并联单枝节的传输线间转换互联结构，建立面向宽带的补偿结构电磁分析模型；

当工作频率为15GHz时，根据阻抗匹配原理设计的基于并联单枝节的传输线间转换互联结构性能补偿结构，如图6所示，按照以下步骤进行：

(1)根据传输线间转换互联结构的电磁分析模型仿真结果，求解互联点处输入阻抗。

首先，对补偿前的互联模型进行电磁仿真，得到中心频率f₀＝15GHz处S₁₁＝0.1632-j0.0842，

然后，根据输入端阻抗与反射系数关系式计算金带互联处的输入归一化阻抗z_L：

由于此处的阻抗z_L是归一化阻抗，故进一步得到输入阻抗Z_L；

Z_L＝Z₀z_L

式中，Z₀＝50Ω为特性阻抗。

求解得到互联处输入阻抗：Z_L＝68.3+11.9j

(2)根据传输线转换互联结构的输入阻抗Z_L、特性阻抗Z₀，以及工作频率f并结合步骤(1)中传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，在电子设计自动化软件中建立相应的并联单枝节阻抗匹配等效电路，如图6所示，在软件中对待匹配的端口进行匹配设计。

(3)最后根据基于并联单枝节的传输线间转换互联结构的等效电路匹配设计结果，结合步骤(1)中传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数和步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征分析，建立基于并联单枝节的同轴转微带互联补偿结构电磁分析模型，如图7所示。

(4)由于计算结果是在理想条件下得到的，而实际电磁模型与理想条件总有一定出入，因此需要在软件中对相应的补偿结构尺寸进行优化，经优化后的并联单枝节相关尺寸为：d＝650um，l＝500um。仿真结果如图10(a)、(b)所示。

3.根据传输线的小反射原理，在传输线线间转换金带互联处引入微带线性渐变线，渐变线一侧宽度与金带底部压焊长度保持一致，一侧与主传输线宽度保持一致，基于微带线性渐变线的传输线间转换互联结构，建立面向窄带的补偿结构电磁分析模型；

当工作频率为整个Ku频段时，基于微带线性渐变线的传输线间转换互联结构性能补偿结构设计按以下步骤进行：

(1)根据传输线小反射原理，设计基于并联单枝节的同轴转微带金带互联补偿结构，参照图8，渐变线一侧宽度与金带底部压焊长度保持一致，一侧与主传输线宽度保持一致，通过调节线性渐近线长度H来获得最佳匹配状态，实现性能最大程度上的改善。

(2)根据步骤(1)中确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，以及步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征，同时引入微带线性渐变线补偿结构，在三维电磁全波仿真分析软件中建立基于微带线性渐变线的传输线间转换互联补偿结构的电磁分析模型，所建立的模型如下图9所示。

(3)在电磁仿真分析软件中对相应的补偿结构尺寸进行优化，经优化后的线性微带渐变线相关尺寸为：H＝1mm，仿真结果如图11(a)、(b)所示。

三、仿真结果及分析

由上述仿真实验可以看出，基于并联单枝节的传输线间转换互联补偿结构较之前前得到很大程度上改善；在阻抗匹配频点15GHz处，回波损耗S11下降了19dB左右，插入损耗S21上升了0.086dB左右；基于微带线性渐变线的传输线间转换互联补偿结构，其在一定的范围内，随线性渐变线长度H增长，回波损耗S11减少、插入损耗S21增大，信号传输性能得到很大程度上改善；但是超过一定长度后，回波损耗S11不降反升，插入损耗S21不升反降，传输性能改善效果变差，甚至出现比原来性能更差现象的发生；进一步观察仿真图，不难发现在H＝1mm处改善效果最明显，在整个Ku频段范围内，S11最大可下降12dB左右，S21最大可上升0.15dB左右，整体改善效果最佳。

因此利用本专利提出的基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法可根据具体工作情况选择合适的补偿方式，具备显著提升微波组件中模块互联设计效率与改善信号传输性能的能力。

Claims (8)

1.一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)根据高频微波组件互联的具体要求，确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数；

(2)根据微波组件传输线间转换互联结构实物形态及工程实际调研，对互联金带区域分段区间处理，并根据具体区间对传输线间转换互联结构进行形态参数化表征；

(3)根据确定的微波组件中转换互联结构的几何参数、物性参数及形态参数化表征，建立传输线间转换互联结构的电磁分析模型；

(4)根据微波组件工作带宽，选择补偿方式，若工作频带为宽带，则进行步骤(5)；若工作频带为窄带，则进行步骤(6)；

(5)求解互联结构互联处输入阻抗，建立互联结构的等效电路模型进行匹配，基于并联单枝节的传输线间转换互联结构，建立面向宽带的补偿结构电磁分析模型；

(6)在传输线线间转换金带互联处引入微带线性渐变线，渐变线一侧宽度与金带底部压焊长度保持一致，一侧与主传输线宽度保持一致，基于微带线性渐变线的传输线间转换互联结构，建立面向窄带的补偿结构电磁分析模型；

(7)确定传输线间转换互联补偿结构尺寸，当工作频带为窄带，输出由步骤(5)确定的补偿结构参数；当工作频带为宽带，输出由步骤(6)确定的补偿结构参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)中，

确定几何参数包括：微带线宽度W、微带线厚度h1、金带宽度B、金带厚度T、底部金带压焊长度b4、互联结构半跨距P、顶部包焊区包角θ、落差g、介质基板长度L、介质基板宽度D、介质基板厚度h2、引线直径d1、引线伸出端到金带距离b3、金带到基板水平距离b2、同轴接头玻璃介质直径d2和同轴接头玻璃介质长度b1；

确定物性参数包括：信号传输频率f、介质基板介电常数ε_s、介质基板损耗角正切θ_s、同轴接头玻璃介质介电常数ε_g和同轴接头玻璃介质损耗角正切θ_g。

3.根据权利要求1所述的一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中，互联结构可分为四个区域：顶部包焊区、底部搭焊区以及左右两个非键合区，对传输线间转换互联结构进行形态参数化表征按如下过程进行：

(2a)对互联形态的顶部包焊区域进行表征：

顶部包焊区域是金带与引线因键合工艺而形成的一段圆弧，包角大小为θ，圆弧半径r，圆心位于引线中心处，圆心坐标为(x_s,y_s)：

式中，d1为引线直径，g为落差，T为金带厚度；

顶部包焊区圆弧的起点u的坐标(x_u,y_u)和终点v的坐标(x_v,y_v)如下：

(2b)底部压焊区域是指金带与底部微带线因键合而形成的一段直线段，压焊区域长度为b5，底部压焊区直线的起点a的坐标(x_a,y_a)和终点b的坐标如下：

(2c)左边非键合区域由上半部和下半部两段抛物线、以及包焊区与上半部抛物线之间的一小段直线组成：

在左边上半部抛物线与搭焊区之间预留一小段长度，该长度与包角θ大小有关，长度K如下：

左边小段长度的起点为顶部包焊区圆弧的起点u，小段长度的终点e坐标(x_e,y_e)表示如下：

左边上半部抛物线的终点为小段长度的终点e，上半部抛物线的起点c坐标(x_c,y_c)表示如下：

式中，P为互联结构半跨距；

抛物线方程为Δy²＝2f₁Δx，其中Δx₁＝x_u-x_c，Δy₁＝y_u-y_c，代入方程，可得抛物线系数f₁：

左边下半段抛物线起点为上半段抛物线的起点c，终点为底部压焊区直线的起点a，抛物线方程为Δy²＝2f₂Δx，其中Δx₂＝x_a-x_c，Δy₂＝y_a-y_c，将Δx₂和Δy₂代入上述方程可得抛物线系数f₂：

式中，b5为压焊区域长度；

(2d)右边非键合区域也是由上半部和下半部两段抛物线、以及包焊区与上半部抛物线之间的一小段直线组成：

在右边上半部抛物线与搭焊区之间预留一小段长度，该长度与包角θ大小有关，长度K如下：

右边小段长度的起点为顶部包焊区圆弧的起点v，小段长度的终点f坐标(x_f,y_f)表示如下：

其中右边上半部抛物线的终点为小段长度的终点f，上半部抛物线起点d坐标(x_d,y_d)表示如下：

抛物线方程为Δy²＝-2f₃Δx，其中Δx₃＝x_v-x_d，Δy₃＝y_v-y_d，代入方程，可得抛物线系数f₃：

右边下半段抛物线终点为直线段的终点b，起点为下半部两段抛物线的起点d，抛物线方程为Δy²＝-2f₄Δx，其中Δx₄＝x_b-x_d，Δy₄＝y_b-y_d，将Δx₂和Δy₂代入上述方程可得抛物线系数f₄：

4.根据权利要求1所述的一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)根据步骤(1)中确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，以及步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征，分别创建引线、金带互联线、微带线、玻璃介质、介质基板，在三维电磁全波仿真分析软件中建立传输线间转换互联结构的电磁分析模型。

5.根据权利要求1所述的一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，其特征在于，所述步骤(4)根据微波组件工作带宽，选择补偿方式，当微波组件工作频带为窄带，即相对带宽时，其中f_H和f_L分别表示工作频带的上限和下限频率，进行步骤(5)中基于并联单枝节的性能补偿结构电磁分析模型，实现在窄频段某一频点下的信号传输性能的大幅度改善；当微波组件工作频带为宽带，即相对带宽时，则进行步骤(6)中基于微带线性渐变线的性能补偿结构电磁分析模型，在整个频段对组件信号传输性能补偿。

6.根据权利要求1所述的一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，其特征在于，所述步骤(5)按如下步骤进行：

(5a)根据传输线间转换互联结构的电磁分析模型仿真结果，求解互联点处输入阻抗；

对补偿前的互联模型进行电磁仿真，得到中心频率f₀处S参数，通过二端口网络的反射系数与S参数转换公式，得到输入阻抗系数Γ_in：

式中，Γ_L为输入阻抗系数，S₁₁、S₂₁、S₁₂以及S₂₂分别为散射参数，对于该匹配模型Γ_L很小，因此上式可近似表示为：Γ_in＝S₁₁

根据输入端阻抗与反射系数关系式计算金带互联处的输入归一化阻抗z_L：

进一步得到互联处输入阻抗Z_L；

Z_L＝Z₀z_L

式中，Z₀为特性阻抗；

(5b)根据传输线转换互联结构的输入阻抗Z_L、特性阻抗Z₀，以及工作频率f并结合步骤(1)中传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，在电子设计自动化ADS软件中建立相应的并联单枝节阻抗匹配等效电路，对待匹配的端口进行匹配设计；

(5c)根据基于并联单枝节的传输线间转换互联结构的等效电路匹配设计结果，结合步骤(1)中传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数和步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征分析，建立基于并联单枝节的同轴转微带互联面向宽带的补偿结构电磁分析模型。

7.根据权利要求1所述的一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，其特征在于，所述步骤(6)按如下步骤进行：

(6a)设计基于并联单枝节的传输线间转换互联补偿结构，渐变线一侧宽度与金带底部压焊长度保持一致，一侧与主传输线宽度保持一致，通过调节线性渐近线长度H来获得最佳匹配状态；

(6b)根据步骤(1)确定的微波组件中传输线转换结构的几何参数、物性参数及步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征分析，同时引入微带线性渐变线补偿结构，包括根据步骤(1)中确定传输线间转换互联结构的几何参数与物性参数，以及步骤(2)中传输线间转换互联结构的参数化表征，在三维电磁全波仿真分析软件中建立基于微带线性渐变线的传输线间转换互联面向窄带的补偿结构的电磁分析模型。

8.根据权利要求1所述的一种基于传输线间转换互联结构的信号传输性能补偿方法，其特征在于，所述步骤(7)若微波组件工作频带为窄带，输出由步骤(5)中基于并联单枝节的性能补偿结构电磁分析模型确定的补偿结构参数：并联单枝节到负载之间传输线的长度d，以及并联单枝节的长度l；若微波组件工作频带为宽带，则输出由步骤(6)中基于微带线性渐变线的性能补偿结构电磁分析模型，确定补偿结构参数：线性渐近线长度H。